Ερευνητές από τη Microsoft και το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον επέδειξαν το πρώτο πλήρως αυτοματοποιημένο, αναγνώσιμο σύστημα αποθήκευσης δεδομένων για τεχνητά δημιουργημένο DNA. Αυτό είναι ένα βασικό βήμα προς τη μετάβαση της νέας τεχνολογίας από τα ερευνητικά εργαστήρια στα εμπορικά κέντρα δεδομένων.
Οι προγραμματιστές απέδειξαν την ιδέα με ένα απλό τεστ: κωδικοποίησαν με επιτυχία τη λέξη "γεια" σε θραύσματα ενός συνθετικού μορίου DNA και τη μετέτρεψαν ξανά σε ψηφιακά δεδομένα χρησιμοποιώντας ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα από άκρο σε άκρο, το οποίο περιγράφεται στο , που δημοσιεύτηκε στις 21 Μαρτίου στο Nature Scientific Reports.
Τα μόρια DNA μπορούν να αποθηκεύσουν ψηφιακές πληροφορίες σε πολύ υψηλές πυκνότητες, δηλαδή σε φυσικό χώρο που είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερος από αυτόν που καταλαμβάνουν τα σύγχρονα κέντρα δεδομένων. Είναι μια από τις πολλά υποσχόμενες λύσεις για την αποθήκευση του τεράστιου όγκου δεδομένων που παράγει ο κόσμος καθημερινά, από επαγγελματικά αρχεία και βίντεο χαριτωμένων ζώων μέχρι ιατρικές φωτογραφίες και εικόνες από το διάστημα.
Η Microsoft διερευνά τρόπους για να γεφυρώσει το πιθανό χάσμα μεταξύ και θέλουμε να τα διατηρήσουμε, και την ικανότητά μας να τα διατηρήσουμε. Αυτές οι μέθοδοι περιλαμβάνουν την ανάπτυξη αλγορίθμων και τεχνολογιών μοριακών υπολογιστών για . Αυτό θα επέτρεπε σε όλες τις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες σε ένα μεγάλο σύγχρονο κέντρο δεδομένων να χωρούν σε ένα χώρο περίπου στο μέγεθος πολλών ζαριών.
«Ο κύριος στόχος μας είναι να λανσάρουμε ένα σύστημα που, στον τελικό χρήστη, θα μοιάζει σχεδόν με οποιοδήποτε άλλο σύστημα αποθήκευσης cloud: οι πληροφορίες αποστέλλονται στο κέντρο δεδομένων και αποθηκεύονται εκεί και στη συνέχεια εμφανίζονται απλώς όταν τις χρειάζεται ο πελάτης, », λέει η ερευνήτρια της Sr. της Microsoft, Karin Strauss. «Για να το κάνουμε αυτό, χρειαζόμασταν να αποδείξουμε ότι είχε νόημα από την άποψη του αυτοματισμού».
Οι πληροφορίες αποθηκεύονται σε συνθετικά μόρια DNA που δημιουργούνται σε εργαστήριο, αντί στο DNA ανθρώπων ή άλλων ζωντανών όντων, και μπορούν να κρυπτογραφηθούν πριν σταλούν στο σύστημα. Αν και πολύπλοκες μηχανές όπως οι συνθεσάιζερ και οι ακολουθητές εκτελούν ήδη βασικά μέρη της διαδικασίας, πολλά από τα ενδιάμεσα βήματα απαιτούσαν μέχρι τώρα χειρωνακτική εργασία σε ένα ερευνητικό εργαστήριο. "Δεν είναι κατάλληλο για εμπορική χρήση", δήλωσε ο Chris Takahashi, ανώτερος ερευνητής στη Σχολή Επιστήμης και Μηχανικών Υπολογιστών Paul Allen στο USF ().
«Δεν μπορείτε να έχετε ανθρώπους να τρέχουν γύρω από το κέντρο δεδομένων με πιπέτες, είναι πολύ επιρρεπές σε ανθρώπινο λάθος, είναι πολύ ακριβό και καταλαμβάνει πολύ χώρο», εξήγησε ο Takahashi.
Προκειμένου αυτή η μέθοδος αποθήκευσης δεδομένων να έχει νόημα εμπορικά, πρέπει να μειωθεί το κόστος τόσο της σύνθεσης DNA—δημιουργώντας τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία των ουσιαστικών αλληλουχιών— όσο και της διαδικασίας αλληλούχισης που απαιτείται για την ανάγνωση των αποθηκευμένων πληροφοριών. Οι ερευνητές λένε ότι αυτή είναι η κατεύθυνση .
Ο αυτοματισμός είναι ένα άλλο βασικό κομμάτι του παζλ, καθιστώντας την αποθήκευση δεδομένων σε εμπορική κλίμακα και πιο προσιτή, σύμφωνα με ερευνητές της Microsoft.
Υπό ορισμένες συνθήκες, το DNA μπορεί να διαρκέσει πολύ περισσότερο από τα σύγχρονα συστήματα αποθήκευσης αρχείων, τα οποία υποβαθμίζονται με την πάροδο των δεκαετιών. Κάποιο DNA έχει καταφέρει να επιβιώσει σε λιγότερο από ιδανικές συνθήκες για δεκάδες χιλιάδες χρόνια - σε χαυλιόδοντες μαμούθ και στα οστά των πρώιμων ανθρώπων. Αυτό σημαίνει ότι τα δεδομένα μπορούν να αποθηκευτούν με αυτόν τον τρόπο όσο υπάρχει η ανθρωπότητα.
Το αυτοματοποιημένο σύστημα αποθήκευσης DNA χρησιμοποιεί λογισμικό που αναπτύχθηκε από τη Microsoft και το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον (UW). Μετατρέπει το ένα και το μηδέν των ψηφιακών δεδομένων σε ακολουθίες νουκλεοτιδίων (A, T, C και G), τα οποία είναι τα «δομικά στοιχεία» του DNA. Στη συνέχεια, το σύστημα χρησιμοποιεί φθηνό, κυρίως εκτός ραφιού, εργαστηριακό εξοπλισμό για να παρέχει τα απαραίτητα υγρά και αντιδραστήρια σε έναν συνθεσάιζερ, ο οποίος συλλέγει τα κατασκευασμένα θραύσματα DNA και τα τοποθετεί σε ένα δοχείο αποθήκευσης.
Όταν το σύστημα χρειάζεται να εξάγει πληροφορίες, προσθέτει άλλες χημικές ουσίες για να προετοιμάσει σωστά το DNA και χρησιμοποιεί μικρορευστικές αντλίες για να ωθήσει υγρά σε μέρη του συστήματος που διαβάζουν τις αλληλουχίες των μορίων DNA και τις μετατρέπουν ξανά σε πληροφορίες που μπορεί να καταλάβει ένας υπολογιστής. Οι ερευνητές λένε ότι ο στόχος του έργου δεν ήταν να αποδείξει ότι το σύστημα θα μπορούσε να λειτουργήσει γρήγορα ή φθηνά, αλλά απλώς να δείξει ότι η αυτοματοποίηση ήταν δυνατή.
Ένα από τα πιο προφανή πλεονεκτήματα ενός αυτοματοποιημένου συστήματος αποθήκευσης DNA είναι ότι ελευθερώνει τους επιστήμονες να λύσουν πολύπλοκα προβλήματα χωρίς να χάνουν χρόνο ψάχνοντας για μπουκάλια αντιδραστηρίων ή τη μονοτονία της προσθήκης σταγόνων υγρού σε δοκιμαστικούς σωλήνες.
«Η ύπαρξη ενός αυτοματοποιημένου συστήματος για την εκτέλεση επαναλαμβανόμενων εργασιών επιτρέπει στα εργαστήρια να επικεντρώνονται απευθείας στην έρευνα και να αναπτύσσουν νέες στρατηγικές για να καινοτομούν ταχύτερα», δήλωσε ο ερευνητής της Microsoft, Bihlin Nguyen.
Ομάδα από το Εργαστήριο Μοριακών Πληροφοριακών Συστημάτων (MISL) έχει ήδη αποδείξει ότι μπορεί να αποθηκεύσει φωτογραφίες από γάτες, υπέροχα έργα λογοτεχνίας, και αρχειοθετημένα αρχεία DNA και εξαγωγή αυτών των αρχείων χωρίς σφάλματα. Μέχρι σήμερα, κατάφεραν να αποθηκεύσουν 1 gigabyte δεδομένων στο DNA, χτυπώντας .
Οι ερευνητές έχουν επίσης αναπτύξει μεθόδους για όπως η εύρεση και η ανάκτηση μόνο εικόνων που περιέχουν ένα μήλο ή ένα πράσινο ποδήλατο χρησιμοποιώντας τα ίδια τα μόρια, χωρίς τη μετατροπή των αρχείων σε ψηφιακή μορφή.
«Είναι ασφαλές να πούμε ότι είμαστε μάρτυρες της γέννησης ενός νέου τύπου υπολογιστικού συστήματος, στο οποίο μόρια χρησιμοποιούνται για αποθήκευση δεδομένων και ηλεκτρονικά για έλεγχο και επεξεργασία. Αυτός ο συνδυασμός ανοίγει πολύ ενδιαφέρουσες δυνατότητες για το μέλλον», είπε ο καθηγητής της Σχολής Άλεν στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. .
Σε αντίθεση με τα υπολογιστικά συστήματα που βασίζονται σε πυρίτιο, τα συστήματα αποθήκευσης και υπολογισμού που βασίζονται στο DNA πρέπει να χρησιμοποιούν υγρά για να μετακινούν μόρια. Όμως τα υγρά διαφέρουν στη φύση τους από τα ηλεκτρόνια και απαιτούν εντελώς νέες τεχνικές λύσεις.
Η ομάδα του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον, σε συνεργασία με τη Microsoft, αναπτύσσει επίσης ένα προγραμματιζόμενο σύστημα που αυτοματοποιεί εργαστηριακά πειράματα χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του ηλεκτρισμού και του νερού για να μετακινήσει σταγονίδια σε ένα πλέγμα ηλεκτροδίων. Ένα πλήρες σετ λογισμικού και υλικού που ονομάζεται , μπορεί να αναμειγνύει, να διαχωρίζει, να θερμαίνει ή να ψύχει διάφορα υγρά και να εκτελεί εργαστηριακά πρωτόκολλα.
Ο στόχος είναι να αυτοματοποιηθούν τα εργαστηριακά πειράματα που σήμερα εκτελούνται χειροκίνητα ή από ακριβά ρομπότ χειρισμού υγρών και να μειωθεί το κόστος.
Τα επόμενα βήματα για την ομάδα MISL περιλαμβάνουν την ενσωμάτωση ενός απλού, αυτοματοποιημένου συστήματος από άκρο σε άκρο με τεχνολογίες όπως το Purple Drop, καθώς και άλλες τεχνολογίες που επιτρέπουν την αναζήτηση μορίων DNA. Οι ερευνητές έκαναν σκόπιμα το αυτοματοποιημένο σύστημά τους αρθρωτό, έτσι ώστε να μπορεί να εξελιχθεί καθώς εμφανίστηκαν νέες τεχνολογίες για τη σύνθεση, τον προσδιορισμό της αλληλουχίας και τον χειρισμό του DNA.
«Ένα από τα πλεονεκτήματα αυτού του συστήματος είναι ότι αν θέλουμε να αντικαταστήσουμε ένα από τα εξαρτήματα με κάτι νέο, καλύτερο ή πιο γρήγορο, μπορούμε απλώς να συνδέσουμε το νέο εξάρτημα», είπε ο Nguyen. «Αυτό μας δίνει μεγαλύτερη ευελιξία για το μέλλον».
Κορυφαία εικόνα: Ερευνητές από τη Microsoft και το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον κατέγραψαν και μέτρησαν τη λέξη "γειά σου», χρησιμοποιώντας το πρώτο πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα αποθήκευσης δεδομένων DNA. Αυτό είναι ένα βασικό βήμα για τη μεταφορά της νέας τεχνολογίας από τα εργαστήρια στα εμπορικά κέντρα δεδομένων.
Πηγή: www.habr.com